黃書捷 吳新宇 陳志韞

(涵江區(qū)氣象局，福建 莆田 351100)

隨著氣象業(yè)務(wù)現(xiàn)代化建設(shè)的迅速發(fā)展和通信條件的改善，可為預(yù)報(bào)提供的數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品[1-4]越來越多。數(shù)值預(yù)報(bào)理論的不斷完善，以及高速度、大容量的巨型計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，數(shù)值預(yù)報(bào)已成為中短期天氣預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)[5-8]。臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)性質(zhì)復(fù)雜多變，給沿海地區(qū)帶來狂風(fēng)暴雨，導(dǎo)致山洪、泥石流、滑坡等次生災(zāi)害[9]，造成嚴(yán)重的財(cái)產(chǎn)損失和生命威脅。數(shù)值預(yù)報(bào)是國(guó)內(nèi)外臺(tái)風(fēng)業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)最重要的途徑之一[10]，對(duì)臺(tái)風(fēng)路徑、強(qiáng)度、風(fēng)向風(fēng)速、暴雨的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)對(duì)保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全至關(guān)重要。準(zhǔn)確的模式預(yù)報(bào)對(duì)臺(tái)風(fēng)天氣有重要的參考，能夠給預(yù)報(bào)員更強(qiáng)的信心。本文分析了三家模式對(duì)臺(tái)風(fēng)過程的預(yù)報(bào)性能，分析了各家模式的優(yōu)劣，為臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)提供了一定的參考價(jià)值。

1 資料來源與處理

本文利用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)方法，選取歐洲中心細(xì)網(wǎng)格模式(簡(jiǎn)稱EC細(xì)網(wǎng)格)、美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心數(shù)值預(yù)報(bào)模式(簡(jiǎn)稱GFS數(shù)值模式)、GRAPES全球同化預(yù)報(bào)模式(簡(jiǎn)稱GRAPES模式)三家模式的預(yù)報(bào)資料。對(duì)副熱帶高壓檢驗(yàn)的預(yù)報(bào)時(shí)效為12～36h，3h極大風(fēng)風(fēng)速檢驗(yàn)的預(yù)報(bào)時(shí)效為24～60h，雨量檢驗(yàn)的預(yù)報(bào)時(shí)效為24h和48h。自動(dòng)站觀測(cè)資料來源于全省294個(gè)預(yù)報(bào)考核站點(diǎn)。

2 臺(tái)風(fēng)“米克拉”發(fā)展動(dòng)態(tài)及風(fēng)雨實(shí)況

2.1 發(fā)展動(dòng)態(tài)

2020年8月10日11時(shí)位于南海的熱帶低壓升格為熱帶風(fēng)暴，國(guó)際編號(hào)2006，命名為“米克拉”。8月11日6時(shí)，中央氣象臺(tái)將其升格為臺(tái)風(fēng)，當(dāng)日7時(shí)30分左右臺(tái)風(fēng)“米克拉”在福建漳浦縣沿海登陸。登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)力12級(jí)，中心最低氣壓為980hPa。8月11日14時(shí)降格為熱帶低壓，17時(shí)中央氣象臺(tái)對(duì)其停止編號(hào)。臺(tái)風(fēng)米克拉為近海生成，突然加強(qiáng)為臺(tái)風(fēng)，從生成到登陸間隔不到一天，移動(dòng)路徑為偏北方向，不斷西折(圖1)。

圖1 2006號(hào)臺(tái)風(fēng)“米克拉”移動(dòng)路徑

2.2 風(fēng)雨實(shí)況

受臺(tái)風(fēng)“米克拉”影響，8月10—11日，全省沿海都出現(xiàn)了8級(jí)以上大風(fēng)，廈門、漳州出現(xiàn)了12級(jí)以上陣風(fēng)，其中以漳州龍海隆教畬族鄉(xiāng)50.4m/s(15級(jí))為最大，10日20時(shí)—11日20時(shí)，福州、廈門、莆田、泉州、漳州、龍巖出現(xiàn)了暴雨到大暴雨。

3 不同模式對(duì)副熱帶高壓預(yù)報(bào)的檢驗(yàn)

一般通過觀察5880gpm(588線)來判斷副熱帶高壓的演變趨勢(shì)，副熱帶高壓主體西伸增強(qiáng)代表副高強(qiáng)度增強(qiáng)，反之則為副高減弱。對(duì)2020年8月10日20時(shí)副高588線檢驗(yàn)如圖2(a)、(b)、(c)所示。①GFS模式對(duì)副高的預(yù)報(bào)：36h時(shí)效內(nèi)副高588線位于臺(tái)灣島以東洋面上，24h時(shí)效內(nèi)，強(qiáng)度加強(qiáng)，588線位置調(diào)整為穿過臺(tái)灣島，12h時(shí)效內(nèi)，588線位置預(yù)報(bào)繼續(xù)東移，已經(jīng)壓到福建沿海，12h時(shí)效預(yù)報(bào)與實(shí)況最接近。以20°N為分界線，588線北段位置在過去36小時(shí)內(nèi)不斷向西調(diào)整，同時(shí)592線也有西伸加強(qiáng)的趨勢(shì)，說明副高整體加強(qiáng)西伸。②GRAPES模式對(duì)副高的預(yù)報(bào)：36h時(shí)效內(nèi)預(yù)報(bào)偏強(qiáng)，但588線位于福建的位置偏北，24h和12h預(yù)報(bào)588線位置基本不變，與實(shí)況整體較為接近，北段略微偏弱。整體預(yù)報(bào)調(diào)整較小，24h預(yù)報(bào)已經(jīng)接近于實(shí)況。③EC模式對(duì)副高的預(yù)報(bào)：36h整體預(yù)報(bào)都偏強(qiáng)，588線涵蓋福建大部分區(qū)域，24h預(yù)報(bào)偏弱，588線退出福建上空，12h預(yù)報(bào)與實(shí)況最為接近，尤其是20°N以北與實(shí)況幾乎一致，對(duì)20°N以南副高預(yù)報(bào)偏強(qiáng)。

選取臨近臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)間的2020年8月11日08時(shí)副高588線檢驗(yàn)，詳見圖2(a1)、(b1)、(c1)。①GFS模式對(duì)副高的預(yù)報(bào)：在20°N以北3個(gè)預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)都預(yù)報(bào)偏弱，但臨近時(shí)效內(nèi)是往副高增強(qiáng)的方向調(diào)整。②GRAPES模式對(duì)副高的預(yù)報(bào)：只有36h時(shí)效的預(yù)報(bào)偏弱，在24h和12h時(shí)效預(yù)報(bào)與實(shí)況場(chǎng)非常接近，預(yù)報(bào)效果最好，調(diào)整很小。③EC模式對(duì)副高的預(yù)報(bào)：3個(gè)時(shí)效內(nèi)預(yù)報(bào)都偏弱，但是逐漸往偏強(qiáng)方向調(diào)整。

(a)

綜合3家模式對(duì)臺(tái)風(fēng)登陸前后的2個(gè)時(shí)次副高強(qiáng)度的預(yù)報(bào)可以看出，EC模式隨著預(yù)報(bào)時(shí)間的接近，預(yù)報(bào)場(chǎng)與實(shí)況場(chǎng)越來越接近，說明了越臨近的預(yù)報(bào)與實(shí)況的接近程度越高；GFS模式預(yù)報(bào)始終偏弱，尤其是在20°N以北段預(yù)報(bào)；GRAPES模式雖然在36h預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)出現(xiàn)了預(yù)報(bào)偏強(qiáng)和偏弱，但是在24h和12h都表現(xiàn)出與實(shí)況高度吻合，是3家模式表現(xiàn)最好的。同時(shí)可以看出，各家模式對(duì)副高強(qiáng)度變化基本上都是往增強(qiáng)方向調(diào)整。季亮等[10]通過數(shù)值模擬研究得出，副高強(qiáng)度的加強(qiáng)有利于臺(tái)風(fēng)后期再次增強(qiáng)，同時(shí)加速了臺(tái)風(fēng)北上速度，參照臺(tái)風(fēng)登陸前后12h內(nèi)中心風(fēng)速差超過13m/s，可以定義為屬于近海突然加強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，從生成到登陸間隔不到1天，副高增強(qiáng)對(duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度和移速影響都具有一定的指示。副高西伸加強(qiáng)后，引導(dǎo)氣流由偏南氣流轉(zhuǎn)為東南氣流，引導(dǎo)臺(tái)風(fēng)往北偏西方向移動(dòng)。與實(shí)況上臺(tái)風(fēng)北上后往北偏西方向移動(dòng)相符。

4 3h極大風(fēng)速和24h降水量預(yù)報(bào)檢驗(yàn)

本文對(duì)2020年8月10日20時(shí)—8月11日20時(shí)，全省294個(gè)關(guān)鍵考核站點(diǎn)進(jìn)行3h極大風(fēng)速和24h降水量檢驗(yàn)。其中，極大風(fēng)速檢驗(yàn)包括EC細(xì)網(wǎng)格和GFS模式，雨量檢驗(yàn)包括EC細(xì)網(wǎng)格、GFS模式和GRAPES模式。為保證檢驗(yàn)結(jié)果的公平性，統(tǒng)一采用臨近點(diǎn)插值法將網(wǎng)格點(diǎn)資料插值到站點(diǎn)上。

4.1 風(fēng)的檢驗(yàn)

通過分析24～60h時(shí)效內(nèi)風(fēng)速的平均絕對(duì)誤差分布可以看出，GFS模式總體表現(xiàn)優(yōu)于EC細(xì)網(wǎng)格，只有在48～54h時(shí)效內(nèi)GFS模式的平均絕對(duì)誤差大于EC細(xì)網(wǎng)格，GFS模式平均絕對(duì)誤差為4.07m/s，在33h時(shí)效內(nèi)平均絕對(duì)誤差最小為3.24m/s；EC細(xì)網(wǎng)格平均絕對(duì)誤差為4.97m/s，在45h時(shí)效內(nèi)平均絕對(duì)誤差最小為3.68m/s。從平均情況上看，GFS模式整體平均絕對(duì)誤差比EC細(xì)網(wǎng)格小18%，預(yù)報(bào)性能更好，如圖3所示。

圖3 全省關(guān)鍵考核站點(diǎn)24～60h時(shí)效風(fēng)速絕對(duì)誤差

為了進(jìn)一步體現(xiàn)大風(fēng)平均絕對(duì)誤差在地理位置上的分布特征，選取了實(shí)況站點(diǎn)出現(xiàn)8級(jí)以上陣風(fēng)時(shí)，各家模式的平均絕對(duì)誤差分布情況。從圖4可以看出，兩家模式平均絕對(duì)誤差大值區(qū)主要分布于福建南部，主要集中于漳州市沿海區(qū)域，平均絕對(duì)誤差在16～24m/s之間，預(yù)報(bào)明顯偏小。進(jìn)一步分析原因，參考預(yù)報(bào)時(shí)效為24h兩家模式對(duì)地面10m陣風(fēng)的預(yù)報(bào)可以看出(圖略)，EC細(xì)網(wǎng)格預(yù)報(bào)臺(tái)風(fēng)登陸位置為廈門，登陸時(shí)漳州沿海一帶陣風(fēng)為6～8級(jí)，GFS模式預(yù)報(bào)臺(tái)風(fēng)登陸位置為泉州，登陸時(shí)漳州沿海一帶陣風(fēng)為6級(jí)左右，而臺(tái)風(fēng)登陸漳州時(shí)，在漳州和廈門沿海部分站點(diǎn)出現(xiàn)了12級(jí)以上的陣風(fēng)，預(yù)報(bào)風(fēng)力顯著偏小，預(yù)報(bào)位置偏北。對(duì)于本次近海生成的臺(tái)風(fēng)“米克拉”，臺(tái)風(fēng)迅速加強(qiáng)并登陸時(shí)，EC細(xì)網(wǎng)格和GFS模式對(duì)“米克拉”這種近海生成突然加強(qiáng)的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度和登陸位置預(yù)報(bào)把握較差。

圖4 全省站點(diǎn)8級(jí)以上陣風(fēng)平均絕對(duì)誤差分布情況

4.2 雨的檢驗(yàn)

對(duì)本次過程24h降水量預(yù)報(bào)情況檢驗(yàn)，將降水量分為暴雨以下(<50mm)、暴雨(50～100mm)、大暴雨以上(≥100mm),3家模式在暴雨以下量級(jí)實(shí)況與預(yù)報(bào)的樣本數(shù)最接近是EC細(xì)網(wǎng)格模式(為0.73)，接近觀測(cè)的0.75，其次是GFS模式的0.82，GRAPES模式達(dá)到了0.91；在暴雨量級(jí)中與觀測(cè)樣本占比0.2最接近的是EC細(xì)網(wǎng)格模式和GRAPES模式，分別為0.22和0.19；在大暴雨以上量級(jí)樣本中，只有EC細(xì)網(wǎng)格模式體現(xiàn)并且與觀測(cè)樣本占比一致(皆為0.05)，如圖5所示?？傮w上看，三個(gè)量級(jí)的樣本占比中，EC細(xì)網(wǎng)格模式與實(shí)際觀測(cè)雨量分布樣本最為接近。但是樣本數(shù)接近不能代表預(yù)報(bào)性能好，還需要進(jìn)一步分析預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率、空?qǐng)?bào)率、漏報(bào)率，只有高的準(zhǔn)確率低的空?qǐng)?bào)率和漏報(bào)率，才能說明預(yù)報(bào)準(zhǔn)確。

圖5 觀測(cè)與預(yù)報(bào)樣本數(shù)量不同類別占比

為更加直觀表現(xiàn)預(yù)報(bào)模式對(duì)本次臺(tái)風(fēng)過程中降水預(yù)報(bào)，從24h降雨量為大雨以上的站點(diǎn)分布(見圖6)可以看出，大雨以上的站點(diǎn)主要集中分布于福建中南部和沿海地區(qū)，其中大暴雨以上站點(diǎn)主要集中在漳州和龍巖。

圖6 2020年8月10日20時(shí)—11日20時(shí)全省大雨以上量級(jí)(≥25mm)站點(diǎn)分布圖

由于3家模式在72h時(shí)效的預(yù)報(bào)都沒有預(yù)報(bào)本次暴雨落區(qū)，因此暴雨檢驗(yàn)的預(yù)報(bào)時(shí)效為24h和48h，預(yù)報(bào)量級(jí)站點(diǎn)分布見圖7。24h預(yù)報(bào)：EC細(xì)網(wǎng)格模式在福建東北部沿海大雨漏報(bào)，龍巖西南部暴雨漏報(bào)，部分大暴雨點(diǎn)漏報(bào)，對(duì)漳州暴雨和大暴雨落區(qū)預(yù)報(bào)比較準(zhǔn)確，整體預(yù)報(bào)與實(shí)況接近，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率為19.75%，空?qǐng)?bào)率為51.85%，漏報(bào)率為28.4%；GRAPES模式預(yù)報(bào)大暴雨落區(qū)偏南，范圍偏小，降水集中于西南部，對(duì)中部東部沿海大雨和暴雨都漏報(bào)，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率為3.64%，空?qǐng)?bào)率為40%，漏報(bào)率為56.36%；GFS模式預(yù)報(bào)暴雨落區(qū)偏小，對(duì)龍巖、莆田、福州的大雨、暴雨漏報(bào)，大暴雨落區(qū)偏北，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率為7.94%，空?qǐng)?bào)率為38.1%，漏報(bào)率為53.97%。48h預(yù)報(bào)：EC細(xì)網(wǎng)格模式對(duì)廈門以北暴雨落區(qū)預(yù)報(bào)較好，但未能預(yù)報(bào)出漳州、龍巖暴雨、大暴雨落區(qū)，暴雨預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率為13.92%，空?qǐng)?bào)率為51.9%,漏報(bào)率為34.18%，其余兩家模式皆為漏報(bào)，漏報(bào)率達(dá)100%。

(a) (b)

總體上看，無論是24h還是48h，EC細(xì)網(wǎng)格模式表現(xiàn)最好，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率最高，GRAPES模式和GFS模式預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率遠(yuǎn)低于EC細(xì)網(wǎng)格模式，預(yù)報(bào)參考價(jià)值較低。

5 結(jié)論與討論

①近海生成的臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)難度高，登陸位置較難把握，需要加強(qiáng)預(yù)警監(jiān)測(cè)。

②副熱帶高壓強(qiáng)弱與臺(tái)風(fēng)移動(dòng)關(guān)系密切，當(dāng)各家模式對(duì)副高加強(qiáng)西伸的預(yù)報(bào)都一致時(shí)，近海生成的臺(tái)風(fēng)快速加強(qiáng)西移，并登陸可能性高。

③ GFS模式和EC細(xì)網(wǎng)格模式在24～48h預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)，平均絕對(duì)誤差變化較小，當(dāng)預(yù)報(bào)時(shí)效超過48h時(shí)，隨著預(yù)報(bào)時(shí)效增加而迅速增大，GFS模式整體平均絕對(duì)誤差比EC細(xì)網(wǎng)格模式小18%，同時(shí)兩家模式對(duì)極端大風(fēng)漏報(bào)，沒有預(yù)報(bào)12級(jí)以上大風(fēng)。

④在本次過程大雨及以上量級(jí)預(yù)報(bào)中，24h時(shí)效內(nèi)，EC細(xì)網(wǎng)格準(zhǔn)確率遠(yuǎn)高于GRAPES模式和GFS模式，當(dāng)預(yù)報(bào)時(shí)效變成48h時(shí)，各家模式預(yù)報(bào)性能嚴(yán)重下降，表明模式24h的預(yù)報(bào)結(jié)果較48h的預(yù)報(bào)更有參考價(jià)值。這說明在降水預(yù)報(bào)中，模式預(yù)報(bào)時(shí)效越短，準(zhǔn)確率也越高。

⑤EC細(xì)網(wǎng)格模式在本次臺(tái)風(fēng)過程中，對(duì)風(fēng)雨預(yù)報(bào)表現(xiàn)出了一定的預(yù)報(bào)能力，但本文僅對(duì)本次臺(tái)風(fēng)過程進(jìn)行了檢驗(yàn)分析，未來將收集更多臺(tái)風(fēng)個(gè)例及更長(zhǎng)時(shí)間序列的資料，對(duì)各家模式進(jìn)行更全面、準(zhǔn)確的評(píng)估分析，為本地氣象決策服務(wù)提供預(yù)報(bào)依據(jù)。